多功能鉆機(jī)夾持器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

許東京 戴真真 王永輝 盧立建

（1.江蘇徐工工程機(jī)械研究院有限公司，徐州 221004；2.徐州徐工基礎(chǔ)工程機(jī)械有限公司，徐州 221004）

多功能鉆機(jī)主要用于基樁工程、隧道、水利與公路等工程。針對現(xiàn)有的多功能鉆機(jī)夾持器在實(shí)際使用過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析，并根據(jù)分析結(jié)果對其強(qiáng)度薄弱點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)，以滿足使用要求。

1 夾持器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

如圖1 所示，多功能鉆機(jī)夾持器固定安裝在進(jìn)給裝置前端。回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)通過進(jìn)給裝置驅(qū)動(dòng)鉆具的前進(jìn)與后退。回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與夾持器配合實(shí)現(xiàn)鉆具的裝卸工作[1]。

如圖2 所示，夾持器由上夾持器與下夾持器兩部分組成。上夾持器通過卸扣油缸可實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)，用于鉆桿間螺紋的拆卸，具有自動(dòng)拆卸鉆桿功能，大大降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了施工效率。下夾持器通過螺栓固定安裝在鉆桅上，用于夾持鉆桿。

2 夾持器試驗(yàn)與有限元分析

夾持器的主體部件以焊接形式連接，具有承載夾緊力和卸扣扭矩等作用，故其強(qiáng)度可靠性將直接影響到整機(jī)的工作性能。市場上的多功能鉆機(jī)的夾持器多為C 形結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)的夾持器夾緊力為250kN，加載至兩側(cè)的油缸安裝板上[2]。通過有限元分析可知，開口處最大變形量達(dá)5mm，最大應(yīng)力超過1000MPa，位于圓弧底部夾持塊導(dǎo)向板搭接焊接處。有限元分析模型如圖3 所示。

圖1 夾持器、進(jìn)給裝置與回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 夾持器結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 有限元分析模型

圖4 夾持器試驗(yàn)結(jié)果

通過現(xiàn)場使用多次試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果如圖4 所示。先發(fā)生裂紋的地方為圓弧底部夾持塊導(dǎo)向板搭接焊接處，與有限元分析模型結(jié)果一致，因此需對現(xiàn)有夾持器結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 夾持器優(yōu)化設(shè)計(jì)

對多功能鉆機(jī)夾持器進(jìn)行有限元分析，得出了整體變形圖、最大應(yīng)力值及應(yīng)力位置。通過分析結(jié)果可知，多功能鉆機(jī)夾持器剛度和強(qiáng)度不滿足工作需求，因此需對其進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)。現(xiàn)有結(jié)構(gòu)改進(jìn)點(diǎn)共有3 處。第一，將180°半圓弧結(jié)構(gòu)的卸扣導(dǎo)軌更改為U 形結(jié)構(gòu)，以有效減小夾持器開口端的變形量。第二，將卸扣導(dǎo)軌的內(nèi)圓弧面直徑與夾持器上下封板的內(nèi)圓弧面直徑保持一致進(jìn)行焊接，提高內(nèi)部圓弧面的抗拉強(qiáng)度。第三，夾持塊導(dǎo)向板與加強(qiáng)板目前采用的是搭接焊，易產(chǎn)生應(yīng)力集中，現(xiàn)更改為對接焊，并將焊縫打磨光滑[3]。

對改進(jìn)后的模型進(jìn)行有限元分析，結(jié)果如圖5 所示。可見，改進(jìn)后的最大變形量不足1mm，最大應(yīng)力約為350MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于改進(jìn)前的變形量與應(yīng)力。鋼板采用Q550C 材料，安全系數(shù)約為1.5，滿足強(qiáng)度要求。

圖5 改進(jìn)后有限元分析

4 結(jié)語

對現(xiàn)有設(shè)計(jì)的夾持器進(jìn)行試驗(yàn)和有限元分析，尋找其強(qiáng)度薄弱點(diǎn)及存在的問題，并根據(jù)分析結(jié)果對夾持器進(jìn)行了3 個(gè)方面的優(yōu)化改進(jìn)，最后對改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。分析結(jié)果表明，改進(jìn)后的夾持器應(yīng)力和應(yīng)變均大幅度降低。此外，將新的夾持器投入市場后進(jìn)行跟蹤，新的夾持器并未發(fā)生過損壞現(xiàn)象，提高了夾持器的安全性與可靠性。